在模块里指定地线的策略,主要就是为了防止不同的电路之间互相捣乱,出现一些功能不正常的情况。
那模块地线策略的目标主要就是实现两点,一个是低阻抗回流路径,另一个就是地稳定。
就好比我们要给电流修一条又宽又平的大马路,让它能顺顺当当回流,而且还要保证这条马路一直稳稳当当的,不会一会儿塌了,一会儿又堵了。这样电流就能安安稳稳地工作,咱们的模块也就能正常运行啦,就像一个和谐有序的小社会一样。
简而言之,在模块中指定地线的策略主要目的是为了防止不同的电路之间产生干扰导致某些功能的异常,对于模块的地线策略的目标主要是实现以下两点:低阻抗回流路径和地稳定。
地阻抗低和地稳定:
低阻抗回流路径
不同电路里信号那可都不一样,频率、电流、类型都不一样。信号从电源出来,到电路里处理一番,最后得通过地线回流回去。为了保证信号能正常,就得给每个信号弄条低阻抗的回流路径。可实际上呢,各种元器件从晶圆到封装引脚,再到印制电路板连线、导通孔啥的,都有寄生感抗这些不理想的参数。所以信号在低频和高频时表现完全不同。这里得注意,电阻和阻抗可不是一回事儿。电阻是直流时导体对电流的阻抗,阻抗是交流时导体对电流的阻抗。走线阻抗主要是寄生电感引起的,所以得用阻抗的概念去想问题,特别是高频信号,可得重视起来。
地稳定
要是模块的负载是感性负载,像大感性直流电机或者有堵转功能的电机门锁电机,关断瞬间会有很大的浪涌电压。设计的时候会加 TVS 这些环节当低阻抗路径,但更重要的是地平面也得是低阻抗路径,把浪涌电压的能量都吸收了,地平面阻抗得小,这样尖峰电流过去才不会产生大电压干扰。要是地线作为参考电平波动大,就算电源稳定,芯片电压也会跟着剧烈波动。在整车系统里,线束布置复杂,通常用长电缆连接模块,模块的负载和开关返回路径都不一样,根本没法考虑整个信号返回路径,也控制不了地线引脚输出后是高阻抗回路还是低阻抗。所以对于汽车电子模块,光处理电路板级地线可不够,整个地线策略得围绕每块功能电路的低阻抗和模块地线稳定这两个目标来。
地线干扰情况
要是地线布置不合理,不满足上面两个要求,就会出现地线干扰问题,主要有两种典型情况。
共地阻抗耦合干扰:简单说,就是不同信号类型和大小的电流都往同一条回流路径走,最后到一个出口,在返回路径上互相干扰。就算给不同信号设计了几条回流路径,初始阻抗一样,但电流大小不一样,大电流会同时经过这几条路径,引起敏感信号地电位抬高。要是开关性大感性负载的瞬时电流在敏感信号返回路径上回流,单片机采样时电压就偏离真实值了,误差可大了,对模块功能可能是灾难性的。
地环路干扰,当一块电路受共地阻抗耦合干扰影响时,电阻不平衡会让不同走线电流不一样,每个地线上就有电位差。要是两块电路有信号连接,信号之间因为地线电压差会产生额外差模电压误差,造成电平不兼容。
共地阻抗耦合干扰
解决地线问题第一步就是区分电路回流路径,根据电路功能和信号特征,区分出工作数字地、工作模拟地、工作功率地和工作噪声地这四种不同回流路径。
工作数字地,是数字逻辑信号的返回路径,像单片机逻辑信号、时钟信号和通信总线上的返回路径,工作频率高,会产生地弹噪声。
工作模拟地,是敏感信号和小信号的返回路径,像弱信号检测电路、传感器输入电路、前级放大电路和单片机模拟电源等。这些信号电压低、幅度弱,幅值代表大部分信息,特别容易受干扰失效或降级。
工作功率地,是大功率信号的地线,像大功率输出电路,工作电流大,容易在地线上产生压降和干扰。
工作噪声地,包括电机、继电器和电磁阀等感性负载,开关时会产生火花或冲击电流,在地线上耦合产生严重干扰。除了用抑制、屏蔽和隔离技术,地线还得和其他工作地线分开设置。
总结:
在模块里指定地线策略意义重大,主要是防止不同电路相互干扰,避免功能异常。其目标聚焦于实现低阻抗回流路径与地稳定。
低阻抗回流路径方面,不同电路信号差异大,为保证信号正常,需为每个信号提供低阻抗回流路径。然而,元器件存在寄生感抗等不理想参数,信号在低频和高频表现不同。电阻是直流时导体对电流的阻抗,阻抗是交流时的阻抗,走线阻抗主要由寄生电感引起,高频信号需格外重视。
地稳定方面,若模块负载为感性负载,关断瞬间会产生浪涌电压,设计虽会加 TVS 等环节,但地平面也需为低阻抗路径以吸收能量。在汽车电子模块中,因线束布置复杂,光处理电路板级地线不够,需围绕低阻抗和地稳定制定策略。
若地线布置不合理,会出现共地阻抗耦合干扰和地环路干扰。解决地线问题,首先要区分电路回流路径,区分出工作数字地、工作模拟地、工作功率地和工作噪声地这四种不同回流路径,并考虑它们的连接问题 。